作者：貿澤電子Mark Patrick
電子元器件不喜歡在高溫下運行。任何表現出內部自發(fā)熱效應的元器件，都會(huì )導致自身和周?chē)渌骷目煽啃越档�，長(cháng)期過(guò)熱甚至還可能導致印刷電路板（PCB）變形，降低與其他元器件的連接完整性，并影響走線(xiàn)阻抗。通常情況下，容易產(chǎn)生廢熱的元器件包括電源和各種形式的功率放大器［音頻或射頻（RF）］，但現代片上系統（SoC）、電源轉換模塊和高性能微處理器也會(huì )產(chǎn)生大量?jì)炔繜崃俊?br>
尋找熱源
熱管理是電子設計的一個(gè)重要方面，因為它有助于調節電子元器件的溫度，防止過(guò)熱造成損壞。一些電子元器件在日常運行中會(huì )產(chǎn)生熱量，如果這些熱量得不到充分散發(fā)，就會(huì )縮短它們的整體使用壽命，或造成永久性損壞。熱管理的目標就是要讓電子元器件維持在安全工作溫度下，確保其長(cháng)期可靠性和性能。產(chǎn)生的這些熱量實(shí)際上是一種能量損失，表明能源沒(méi)有得到充分利用。我們將在后文中了解到散熱可以采用的各種方法，包括使用風(fēng)扇實(shí)現強制風(fēng)冷和使用散熱器實(shí)現對流散熱。
要實(shí)施熱管理，就必須了解設計中采用的每個(gè)元器件的安全工作溫度范圍。數據手冊中通常會(huì )給出溫度下限和上限之間的范圍，這個(gè)范圍通常稱(chēng)為安全工作區（SOA），它定義了元器件能夠可靠運行而不會(huì )出現不可預測行為或過(guò)早老化的溫度范圍。此外，電路正常工作的環(huán)境溫度也是一個(gè)重要的考慮因素。
可能產(chǎn)生多余熱量的應用和元器件包括以下幾種：
電源轉換：電源的作用是將電網(wǎng)的交流（AC）電壓轉換為較低的直流（DC）電壓，這個(gè)過(guò)程中總會(huì )產(chǎn)生一些損耗。電源的效率通常因負載條件和轉換器拓撲結構而異。例如，XP Power ASB160 160W AC/DC開(kāi)關(guān)模式電源的最大滿(mǎn)載電源效率為91%至93%。這一規格表明，160W的線(xiàn)路輸入能量中最多有9%的能量（即14.4W）需要耗散。電源中可能的熱源包括開(kāi)關(guān)MOSFET、二極管和電感器。
電機驅動(dòng)器：大功率工業(yè)電機柵極驅動(dòng)器電路中的MOSFET會(huì )產(chǎn)生大量廢熱。半導體或集成模塊的末級通常是主要熱源，需要安裝散熱器和其他散熱元器件。MOSFET或其他功率半導體在傳導過(guò)程中的內部串聯(lián)電阻可能并不大，但在大電流、高壓應用中，它們產(chǎn)生的熱量仍然會(huì )相當可觀(guān)。
無(wú)源元器件自發(fā)熱：許多人都知道電容器、電阻器和電感器等無(wú)源元器件會(huì )有內部自發(fā)熱的問(wèn)題。也許每個(gè)零件損失的能量都不多，但這些零件的使用量往往都很大，因而會(huì )成為重要的熱源。
放大：任何基于半導體或模塊的放大電路都會(huì )產(chǎn)生一定的熱量，而音頻和射頻放大器是其中最主要的兩種。放大器的效率和輸入功率決定了需要耗散的最大熱量。不同的放大器拓撲結構有不同的效率，因此必須要了解各種用例中可能的峰值功率以及放大器的工作效率。
PCB走線(xiàn)和互連：在峰值負載條件下，PCB走線(xiàn)的阻抗總是有可能產(chǎn)生熱量。PCB走線(xiàn)的寬度和布局應根據最大工作條件進(jìn)行計算，否則有可能出現局部發(fā)熱、變形乃至起火。同樣，電路板互連器件若長(cháng)期負載過(guò)高，也會(huì )在連接器端子處產(chǎn)生熱量，導致?lián)p壞乃至起火。
除了檢查元器件數據手冊中的安全工作溫度和了解電路參數外，還可以使用熱成像儀（圖1）獲取主要發(fā)熱元器件的準確圖像。
圖1：顯示重要熱源的PCB熱紅外圖像（圖源：Teledyne Flir）
熱對元器件可靠性的影響
高溫會(huì )對元器件的可靠性產(chǎn)生巨大影響。圖2所示為額定溫度+85°C和+105°C的多層陶瓷電容器（MLCC）的預計壽命可靠性。從中可見(jiàn)，當工作溫度為50°C時(shí)，額定溫度+85°C的MLCC使用壽命為40年；如果平均工作溫度升高10°C至60°C，那么它的使用壽命就會(huì )縮短至10年。
圖2：溫度對MLCC壽命的影響（圖源：Murata）
對于任何系統，可靠性的量化標準都是平均故障間隔時(shí)間（MTBF），它是根據元器件可靠性參數計算出來(lái)的。過(guò)熱會(huì )導致平均工作溫度升高，進(jìn)而降低元器件的MTBF。
此外，許多半導體元器件和電池都會(huì )出現熱失控現象。在這種連鎖反應現象中，電流會(huì )因溫度升高而增大，這就形成了惡性循壞，從而導致元器件故障、系統過(guò)載和火災。
熱管理技術(shù)
散熱有多種方式，包括傳導和對流。傳導是指熱量（熱能）從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體。將熱能從高溫元器件傳導到低溫物體，就可以降低元器件的溫度。傳導是最有效的熱傳遞方法，因為它所需的表面積最小。
對流冷卻利用移動(dòng)的氣流，將熱量從物體帶到周?chē)目諝庵�。當空氣帶走熱量時(shí)，會(huì )吸入更多的空氣，從而增加氣流并降低熱源的溫度。氣流可以自然產(chǎn)生，也可以強制產(chǎn)生；例如，使用風(fēng)扇就可以加快散熱。此外，散熱器可以增加元器件的有效表面積，提高散熱量。
熱阻抗和熱界面材料
熱阻抗衡量的是材料的導熱效率，是熱管理計算中的一個(gè)重要參數。例如，導熱墊、凝膠和糊劑等熱界面材料（TIM）可改善功率MOSFET之間的熱傳導。其中一些材料在導熱的同時(shí)，還能實(shí)現電隔離。Würth Elektronik就可以提供多種這樣的熱界面材料（圖3）。例如，WE-TINS系列是一種薄硅膠墊，可在電子元器件和散熱組件之間實(shí)現電絕緣，同時(shí)促進(jìn)熱量傳導；WE-TGFG系列在泡沫芯外包裹了一層合成石墨，是一種導熱性高、不含硅膠的熱擴散替代材料，可用于填充垂直間隙。
圖3：Würth Elektronik提供的部分熱界面材料（圖源：Würth Elektronik）
此外，Panasonic也提供一系列熱管理解決方案，EYG-R石墨墊就是其中的一款，具有安裝簡(jiǎn)便、可靠性高和熱阻低的特點(diǎn)，因為其一側表面更加光滑，熱接觸更良好。這些石墨墊具有較高的可壓縮性，能有效填充發(fā)熱和散熱器件之間的空隙，從而實(shí)現更好的熱傳導。
散熱器
散熱器有豐富多樣的形狀和尺寸。其中，既有專(zhuān)門(mén)設計用于特定功率半導體和IC/SoC封裝的產(chǎn)品，也有其他適用于行業(yè)標準模塊的產(chǎn)品，比如Advanced Thermal Solutions Inc.的ATS maxiFLOW系列散熱器，就是專(zhuān)為全磚DC/DC轉換器模塊而設計的。
CUI Devices還提供各種適用于半導體封裝和模塊的散熱器。為幫助用戶(hù)進(jìn)行選擇，CUI還提供了散熱器選擇指南。
風(fēng)扇
風(fēng)扇可以提供流過(guò)PCB和散熱器的強制氣流。CUI Devices提供的此類(lèi)產(chǎn)品包括變速直流離心式風(fēng)扇和直流軸流式風(fēng)扇，兩者均采用omniCOOL軸承系統。
珀爾帖模塊
珀爾帖（Peltier）熱電模塊可以冷卻半導體和其他小型發(fā)熱元器件，非常適合用在空間有限的外殼中。珀爾帖熱電效應是指，當電流通過(guò)兩種不同的導電材料時(shí)，熱能也會(huì )在這兩種材料之間流動(dòng)。該效應由法國物理學(xué)家讓•珀爾帖（Jean Peltier）發(fā)現，是塞貝克（Seebeck）效應的反效應。這些結構緊湊的模塊通常使用P型和N型半導體顆粒，無(wú)需移動(dòng)部件即可實(shí)現從熱源到散熱器的有效熱傳遞。
圖4所示即為熱源和散熱器之間的熱能流動(dòng)。CUI Devices提供一系列標準型和微型珀爾帖模塊，可適應高達+77°C的溫度梯度。
圖4：使用珀爾帖模塊時(shí)，從熱源到散熱器的溫度梯度（圖源：CUI Devices）
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